Mở đầu trang 18

Đề bài: Khi sử dụng búa máy để đóng cọc, đầu búa được nâng lên đến một độ cao nhất định rồi thả cho rơi xuống cọc cần đóng. Trong quá trình rơi, động năng và thế năng của đầu búa chuyển hoá qua lại lẫn nhau như thế nào?

Lời giải:

Khi đầu búa được nâng lên độ cao nhất định rồi thả rơi xuống:

• Ở vị trí cao nhất: đầu búa đứng yên nên động năng bằng 0, thế năng lớn nhất.
• Trong quá trình rơi: độ cao giảm dần → thế năng giảm dần; tốc độ tăng dần → động năng tăng dần.

→ Vậy trong quá trình rơi, thế năng của đầu búa chuyển hoá thành động năng.

I. Cơ năng

Hoạt động trang 18

Đề bài: Lấy ví dụ về trường hợp vật vừa có động năng, vừa có thế năng. Mô tả sự chuyển hoá (nếu có) giữa động năng và thế năng của vật đó.

Lời giải:

Ví dụ: Một quả táo đang rơi từ trên cây xuống đất.

• Quả táo ở độ cao so với mặt đất → có thế năng.
• Quả táo đang chuyển động (rơi xuống) → có động năng.

Sự chuyển hoá: Khi quả táo rơi xuống, độ cao giảm dần nên thế năng giảm dần; đồng thời tốc độ tăng dần nên động năng tăng dần. → Thế năng chuyển hoá thành động năng.

Câu hỏi trang 19

Đề bài: Một vật có khối lượng $m = 1{,}5$ kg được thả rơi từ độ cao $h = 4$ m so với mặt đất. Chọn gốc thế năng ở mặt đất, tính tốc độ của vật vừa đến chạm mặt đất. Biết toàn bộ thế năng của vật chuyển hoá thành động năng của vật.

Lời giải:

Tóm tắt: $m = 1{,}5$ kg; $h = 4$ m. Tính $v = ?$

Bước 1: Tính thế năng của vật ở độ cao $h$ (trọng lượng $P = 10m$):

$$W_t = P \cdot h = 10 \cdot m \cdot h = 10 \cdot 1{,}5 \cdot 4 = 60 \text{ (J)}$$

Bước 2: Vì toàn bộ thế năng chuyển hoá thành động năng nên khi vật chạm đất:

$$W_đ = W_t = 60 \text{ (J)}$$

Bước 3: Từ công thức $W_đ = \dfrac{1}{2}mv^2$, suy ra:

$$v^2 = \dfrac{2W_đ}{m} = \dfrac{2 \cdot 60}{1{,}5} = 80$$

$$v = \sqrt{80} \approx 8{,}94 \text{ (m/s)}$$

Vậy tốc độ của vật khi chạm đất khoảng 8,94 m/s.

II. Sự chuyển hoá năng lượng

Hoạt động trang 19 (Thí nghiệm con lắc đơn)

Đề bài:

1. Có nhận xét gì về sự chuyển hoá giữa động năng và thế năng của vật nặng?
2. Sau một thời gian chuyển động, vì sao độ cao của vật nặng giảm dần?

Lời giải:

1. Sự chuyển hoá giữa động năng và thế năng:

• Khi vật đi từ A xuống O: độ cao giảm → thế năng giảm; tốc độ tăng → động năng tăng. → Thế năng chuyển hoá thành động năng.
• Khi vật đi từ O lên B: độ cao tăng → thế năng tăng; tốc độ giảm → động năng giảm. → Động năng chuyển hoá thành thế năng.

→ Tại O (vị trí thấp nhất): động năng lớn nhất, thế năng nhỏ nhất. Tại A và B (vị trí cao nhất): thế năng lớn nhất, động năng bằng 0.

2. Sau một thời gian, độ cao của vật nặng giảm dần là vì: trong quá trình chuyển động, vật nặng chịu lực cản của không khí và ma sát tại điểm treo. Một phần cơ năng đã chuyển hoá thành nhiệt năng nên cơ năng của vật giảm dần, dẫn đến độ cao đạt được ngày càng thấp.

Câu hỏi trang 19

Đề bài: Nếu bỏ qua lực cản của không khí, hãy mô tả sự chuyển hoá động năng và thế năng của các vật được ném với cùng tốc độ ban đầu (Hình 3.3) trong hai trường hợp:

• Ném theo phương ngang, vật chuyển động theo quỹ đạo (1).
• Ném theo hướng chếch lên trên, vật chuyển động theo quỹ đạo (2).

Lời giải:

Trường hợp 1 – Ném ngang theo quỹ đạo (1):

Vật chỉ đi xuống nên độ cao giảm dần → thế năng giảm dần; đồng thời tốc độ tăng dần → động năng tăng dần.

→ Thế năng chuyển hoá thành động năng.

Trường hợp 2 – Ném chếch lên theo quỹ đạo (2):

• Giai đoạn đi lên (từ vị trí ném đến điểm cao nhất): độ cao tăng → thế năng tăng; tốc độ giảm → động năng giảm. → Động năng chuyển hoá thành thế năng.
• Giai đoạn đi xuống (từ điểm cao nhất đến mặt đất): độ cao giảm → thế năng giảm; tốc độ tăng → động năng tăng. → Thế năng chuyển hoá thành động năng.

Hoạt động trang 20 (Xe thế năng)

Đề bài: Xe thế năng có cấu tạo được mô tả trong Hình 3.4. Quả nặng được nối với trục xe qua một ròng rọc cố định bởi một sợi dây mềm, không dãn. Sợi dây được quấn nhiều vòng quanh trục xe. Khi thả quả nặng chuyển động từ trên xuống, sợi dây sẽ kéo trục bánh xe làm bánh xe lăn, xe sẽ chuyển động.

a) Mô tả sự chuyển hoá năng lượng từ khi thả quả nặng đến khi quả nặng chạm sàn xe.

b) Cho độ cao ban đầu của quả nặng so với sàn xe là 8 cm, khối lượng của quả nặng là $m_1 = 20$ g, khối lượng của xe là $m_2 = 50$ g. Tính tốc độ của xe ngay khi quả nặng chạm sàn xe, nếu coi toàn bộ thế năng của quả nặng chuyển hoá thành động năng.

c) Trong thực tế, giá trị tốc độ thu được của xe khi quả nặng chạm sàn xe sẽ nhỏ hơn giá trị tính toán ở câu b. Hãy giải thích tại sao.

Lời giải:

a) Mô tả sự chuyển hoá năng lượng:

Khi thả quả nặng, quả nặng rơi từ trên xuống, độ cao giảm dần nên thế năng của quả nặng giảm dần. Đồng thời, sợi dây kéo trục bánh xe làm xe chuyển động nên động năng của xe tăng dần.

→ Thế năng của quả nặng đã chuyển hoá thành động năng của xe.

b) Tính tốc độ của xe:

Tóm tắt: $h = 8$ cm $= 0{,}08$ m; $m_1 = 20$ g $= 0{,}02$ kg; $m_2 = 50$ g $= 0{,}05$ kg.

Bước 1: Thế năng của quả nặng ở độ cao $h$:

$$W_t = 10 \cdot m_1 \cdot h = 10 \cdot 0{,}02 \cdot 0{,}08 = 0{,}016 \text{ (J)}$$

Bước 2: Toàn bộ thế năng chuyển hoá thành động năng của xe:

$$W_đ = W_t = 0{,}016 \text{ (J)}$$

Bước 3: Từ công thức $W_đ = \dfrac{1}{2}m_2 v^2$, suy ra:

$$v^2 = \dfrac{2W_đ}{m_2} = \dfrac{2 \cdot 0{,}016}{0{,}05} = 0{,}64$$

$$v = \sqrt{0{,}64} = 0{,}8 \text{ (m/s)}$$

Vậy tốc độ của xe khi quả nặng chạm sàn xe là 0,8 m/s.

c) Giải thích vì sao thực tế tốc độ nhỏ hơn:

Trong thực tế, khi xe chuyển động luôn có lực ma sát (giữa bánh xe với mặt sàn, ở trục bánh xe, ở ròng rọc) và lực cản của không khí. Một phần thế năng của quả nặng đã chuyển hoá thành nhiệt năng, không chuyển hoá hoàn toàn thành động năng của xe → tốc độ thu được thực tế sẽ nhỏ hơn giá trị tính toán.

Em có thể

Vì sao để nhảy được xa, người ta cần chạy lấy đà đủ nhanh và bật cao tại vị trí giậm nhảy?

Lời giải:

• Chạy lấy đà đủ nhanh → người có tốc độ lớn → động năng lớn.
• Bật cao tại vị trí giậm nhảy → người đạt độ cao lớn → thế năng lớn.

→ Khi đó, cơ năng (tổng động năng và thế năng) của người rất lớn, nên người sẽ bay xa hơn trong không trung trước khi chạm đất.

Cô Trần Thị Thanh Thảo

(Người kiểm duyệt, ra đề)

Chức vụ: Trưởng ban biên soạn môn Khoa Học Tự Nhiên THCS

Trình độ: Cử nhân Sư phạm KHTN, Chứng chỉ hạng II, Chứng chỉ Tin học, Ngoại ngữ B1

Kinh nghiệm: 6+ năm kinh nghiệm tại Trường THCS Nguyễn Siêu